국내연구진, 차세대 나노구조실리콘전극 개발

[아시아경제 김수진 기자]국내 연구진이 리튬 이차전지의 차세대 전극물질로 각광받는 나노구조실리콘전극을 개발했다.

16일 교육과학기술부에 따르면 광주과학기술원(GIST) 김원배 교수 연구팀은 기존 전극보다 용량과 성능이 크게 향상된 나노구조실리콘전극을 개발하는 데 성공했다.

리튬전지는 현재 이차전지 시장의 대부분을 차지하는 전지로 한 번 쓰고 버리는 일차전지와 달리 외부전원으로 충전해 반영구적으로 쓸 수 있다. 상용 리튬이차전지의 음극소재는 주로 흑연이 사용된다. 반면 실리콘은 흑연보다 용량이 10배 이상 큰 차세대 전극물질이지만, 리튬과 만나면 부피가 4배 이상 늘어나 리튬 저장능력이 감소되는 것이 단점으로 지적됐다. 이 때문에 실리콘의 형태나 크기를 달리해 나노실리콘으로 흑연을 대체하는 연구가 꾸준히 제시돼왔다.

김 교수 연구팀은 나노박막 실리콘을 패턴공정기술로 변화시킨 후 구조별 리튬저장특성과 차이점을 체계적으로 연구했다. 나노전극구조의 배열이나 크기, 형태를 정형화해 각 구조별 전극특성과 차이점을 고찰한 연구는 드물다. 반면 연구팀은 전극물질의 접촉면적과 부피를 조절하고, 나노박막이나 나노우물부터 나노기둥에 이르기까지 여러 구조형상에 따른 리튬의 저장특성과 전자전달의 효율변화를 정량적으로 분석했다.

그 결과 실리콘박막에 나노기둥과 나노우물 패턴구조로 만든 나노구조실리콘전극은 전해액과 접촉 면적이 넓고 전극내부 전자전달이 우수해 용량과 성능 모두 향상됐다. 개발된 나노구조실리콘전극으로 리튬이차전지를 제작한 후 평가한 결과 현재 사용중인 흑연보다 8배 가량 용량이 늘어났다. 나노구조가 없는 일반 실리콘전극과 비교해도 용량이 2배 가까이 증가됐고 수명도도 향상됐다는 설명이다.

김 교수는 "이번 연구결과는 차세대 리튬이차전지뿐만 아니라 에너지전환장치에도 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다. 이번 연구결과는 나노과학분야 권위지인 나노레터스 8월 30일자 온라인속보에 게재됐다.

김수진 기자 sjkim@